李迎喜  毛冬梅

                   (煤炭科學研究總院唐山研究院,河北唐山　063012)

    摘要：應用Pro/E軟件,對臥式振動離心機進行參數化建模和可視化設計,在離心機的設計階段 實現了干涉檢測,并對關鍵零部件進行了有限元分析,提高了產品的設計品質,減少了設計缺 陷,縮短了設計周期,進一步提高了產品的設計質量和可靠性。

    關鍵詞：臥式振動離心機;實體建模;模擬裝配;有限元分析

    中圖書分類號：TD455　文獻標識碼：A

    隨著選煤市場的迅速發展和競爭的日益激烈, 對選煤設備大型化、高效化的要求日益迫切。如何 緊跟市場變化,提高產品品質,增強產品的市場競 爭能力,縮短產品開發周期,降低生產成本,已經 成為選煤設備制造企業十分重視的問題。然而,目 前國內大多數企業在進行整機設計時,基本上還停 留在靜態設計的基礎上,利用二維圖紙表達設計思 想、指導生產。雖然二維圖紙也能表達很多信息, 但存在著一些弊端,例如,對于復雜件,設計人員 很難將二維視圖轉化成三維實體,而且二維圖形不 能表達空間機構運動,也不能對產品裝配進行干涉 檢驗[1, 2]。

    計算機技術的發展及其在產品設計開發中的應用,對于提高繪圖效率,解決復雜計算過程,修改設計,促進設計工作的規范化、標準化和可視化發 揮了重要的作用。文章將基于美國PTC公司的 PRO/E (WILDFIRE)軟件,詳細闡述和介紹CAD 技術在臥式振動離心機產品設計中具體應用和效果。

    1　實體建模和模擬裝配

    應用Pro/E軟件對臥式振動離心機進行三維可 視化設計。Pro/E具有基于特征、全參數和全相關等特點,參數化是Pro/E三維設計的基本思想。三維設計中的參數化設計模塊,使得零件的設計尺寸 可以隨著某些結構尺寸約束的修改而自動修改,無需刪除原來的線條進行重新定義,它建立在統一基層的數據庫上,工程中的所有資料都來自一個數據庫,整個設計過程中的任意一處發生改動,都可以系統地反映在整個設計過程的相關環節上。

    1·1　三維實體建模

    在臥式振動離心機設計開發過程中,使用 Pro/E軟件進行產品設計與傳統的設計方式完全不 同,其主要特點在于設計人員在設計過程中把零件 由毛坯開始加工成所需要的零件,能非常直觀地發 現問題,及時加以糾正。

    在設計過程中,首先根據功能要求,創建關鍵 零部件的實體模型,同時考慮加工工藝,反復進行 結構調整和參數優化,直到設計出結構合理、工藝 性強和生產便利的產品。

    圖1是臥式振動離心機主軸實體圖。主軸是離心機的重要零部件之一,其設計品質的好壞直接關 系到離心機工作的穩定性。利用實體模型能更好地 進行結構和參數優化設計,提高設計品質。

                   

    1·2　模擬裝配及優化設計

    分別建立好各個零件的實體模型后,就可以進行三維實體的裝配了。用Pro/E軟件中的裝配模塊對各零部件進行三維實體裝配的順序一般是:首先,建立一個總裝任務,在其下面建立相應的各組件或部件的子裝配任務;然后,把相關零件裝配成部件,再把相關部件裝配成組件;最后把各組件裝配成整機。在裝配過程中,要注意裝配的第一個元 件是以后不會被刪除的元件,所以在裝配前要做好規劃。

    在新產品設計研發過程中,設計人員無法對產品零部件形成直觀的認識,不能對產品零部件的結構、尺寸等進行有效的把握,在裝配中,特別是復雜零部件的裝配,零部件間的干涉是很難避免的。在過去,往往要到零部件加工結束后實際裝配時才能發現,這不僅造成經濟損失,更重要的是延誤了研制周期和制造周期。作為參數化和全相關的軟件, Pro/E可以實現在裝配模式下修改零件尺寸、裝配尺寸,把問題消滅在設計過程中,達到優化設計的目的。

    Pro/E具有強大的模擬裝配及動態仿真功能, 通過旋轉、放大可以清楚地看到裝配中的不合理情 況,這對保證產品在生產過程中一次裝配成功尤為 重要。圖2是經過優化的、工藝性能良好的臥式振 動離心機振動體實體裝配圖。為了看清裝配圖內部 的零件結構,還可生成裝配爆炸圖(圖3)。

                 

    Pro/E除了能進行實體建模和裝配外,還可生 成二維視圖,它比傳統的二維圖先進,且效率成倍 增長,實體和圖樣絕對一致,圖面錯誤大大減少, 避免了設計人員的實體概念與產品圖表達的偏差, 使設計人員從繁瑣的圖文處理中解脫出來,把更多 的時間用在概念設計上。圖4為臥式振動離心機鎖 緊螺栓二維視圖。

    2　關鍵件的有限元分析

    Pro/MECHANICA Structure是一個有CAD模塊為奧援的結構分析有限元模塊,它專門用來進行零件和組件模式下的結構分析,其分析種類有靜態分析、模態分析、屈曲分析、接觸分析、預應力分析及振動分析等。

                  

    臥式振動離心機的關鍵部件是振動體和主軸, 其結構的合理性和強度直接影響整機的使用壽命。因此應用Pro/MECHANICA Structure對振動體和主軸進行靜力分析和模態分析具有十分重要的意義。有限元分析的基本步驟如圖5所示。

               

    對主軸、振動體進行分析時,首先要定義好主軸、振動體的框架、截面性質,并對其增加重力和施加約束,然后做結構分析,以確定主軸和振動體將產生的位移、變形及所受應力的大小,這有助于我們分析主軸的結構是否合理,能否保證強度要求;有助于找出振動體的應力分布和自然頻率,判斷振動體結構是否合理;有助于找出工作頻率和固振頻率,防止工作頻率和固振頻率疊加而產生共振,影響使用壽命。分析結果如表1、圖6所示。

                  

    針對有限元分析過程中發現的問題,可以對零部件的結構、材料等進行修改,直到結果滿足設計要求為止,從而確保了設計產品的可靠性。



    3　Pro/E軟件應用于產品設計研發的優越性 Pro/E具有二維工程設計繪圖、三維實體造型 的動態裝配和應力分析等功能模塊,盡管目前我們 只在三維實體造型、模擬裝配、有限元分析方面進 行了初步應用,但是從使用效果來看, Pro/E在實 現產品設計自動化方面已經發揮了重要作用。

    3·1　Pro/E軟件可以優化產品的設計方法,縮短 產品的開發周期

Pro/E軟件為設計人員提供了協同工作環境, 極大地改進了產品的設計過程,可以使設計人員在 設計過程中并行工作。協同工作的環境可以使設計 人員在產品開發的全過程相互保持聯系,以確保與產品開發的所有設計人員均使用統一的產品設計數據,從而保證產品數據的一致性。利用Pro/E軟件進行三維實體造型、模擬裝配和有限元分析,能及時發現、并解決產品設計時存在的問題,可縮短產品開發周期60%左右[2],并且產品的設計品質也可得到保證與控制。

    3·2　Pro/E軟件可以增強對數字化產品的分析能 力,提高產品的設計品質

利用Pro/E軟件可以開發出未來的數字樣機, 利用這種方法進行設計,可以在沒有制造出實物樣 機和實際投產之前,讓有關人員獲得關于產品外 形、性能和成本等方面的詳細資料,從而縮短產品 的開發周期。產品品質隨著研制開發的全過程而得 到自然的、內在的保證與控制。

    4　結束語

    應用Pro/E軟件對臥式振動離心機零部件進行 三維可視化設計和模擬裝配,可以直觀地顯示臥式 振動離心機的模型和實際操作過程,實現了臥式振 動離心機在設計階段就能可視地對它進行干涉檢 測,從而為實物的制造和安裝提供了一切必要的準 備。同時,對關鍵零部件進行有限元分析還可以進 一步對產品結構進行優化,以確保產品的質量和可 靠性。

參考文獻:

[1]　楊宇,等·臥式螺旋沉降離心機的三維可視化設計 及仿真[J]·機械設計, 2008, (2): 8~10·

[2]　丁錦宏,吳國慶·Pro/E軟件在新產品設計中的應 用[J]·信息技術, 2006, (4): 138~139·